CN105829844A - 用于成像和材料分析的激光器系统 - Google Patents

Abstract

THz量子级联激光器用于通过向目标引导来自激光器的第一激光辐射射束以由此通过第一射束与目标的相互作用产生第二激光辐射射束来研究目标。第一和第二射束的自混合发生在激光器内并且引起信号中诸如激光器的工作电压的变化。改变影响第一射束与目标的相互作用的激光器的工作参数。监测并且处理工作电压以确定与目标的材料性质相关联的相位和幅度变化。因此，在一个实施例中，本发明提供将信号中的变化处理以产生目标的各种图像。

Description

用于成像和材料分析的激光器系统

技术领域

本发明涉及用于材料分析和成像的基于激光的方法和系统。

背景技术

对于现有技术的方法、装置或者文件的任何引用都不看作构成它们曾经形成或者现在形成公知常识的一部分的任何证据或者承认。

在过去二十年里已经在实现成像和材料分析系统中投入大量的科学努力。该努力的一个结果是太赫兹时域光谱仪(TDS)已经将其自身确立为用于以太赫兹频率相干地探测固态、液态和气态系统的重要工具。由于THzTDS相干地并且以亚皮秒级分辨率分辨宽带THz脉冲的电场幅度的本征能力以及其对热背景辐射的不灵敏性，因此THzTDS成功的关键是其在大到100THz的带宽上测量样品的复折射率的能力。然而，THzTDS系统通常具有实际上仅在～3THz以下有用的信噪比(SNR)。此外，它们的光谱分辨率典型地限于不比～5GHz好(在高带宽系统中更差)，以及它们被限制于通常使用的光泵光电导发射器的数量级为10-100μW的低THz功率。另外，光谱数据获取很慢并且技术依赖笨重并且昂贵的超快激光源以生成THz辐射并且对THz辐射进行相干检测。

近来，THz量子级联激光器(QCL)已经作为在频率范围～1-5THz中建立的高功率辐射的实验室源而出现。已经显示THzQCL呈现具有量子限制的线宽的显著光谱纯度，使它们理想地适合于相干THz系统。但是，由于相干地检测来自这种源的发射的挑战，所以大多数系统开发已经集中在用以成像和材料分析的非相干方式上。然而，相干检测方案已经允许分辨THz场的相位和/或频率。通过利用从气体激光器得到的本机振荡器与自由运行QCL之间的外差混频，已经报告了高分辨率的频率分辨气体光谱仪。使用外差方式的相敏检测也已经能够相干逆合成孔径雷达成像。然而，外差系统通常因它们是复杂并且笨重的缺点而受到困扰。

本发明的一个目的是提供基于激光的成像或者远程材料感测系统，其是前述现有技术的系统的改进或者至少是有用替换。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了用于研究目标的方法，方法包括下列步骤：

向目标引导来自激光器的第一辐射射束以由此通过第一射束与所述目标的相互作用产生第二激光辐射射束，其中第一和第二射束的自混合在激光器内发生；

改变影响第一射束与目标的相互作用的参数；

检测由自混合产生的信号；以及

处理信号以由此确定与目标的材料性质相关联的相位和幅度变化。

激光器优选地包括量子级联激光器(QCL)。

替换地，激光器可以包括下列中的任何一个：

带间量子级联(ICL)激光器；或者

氦氖气体激光器；或者

二氧化碳激光器；或者

光泵光纤激光器。

激光器优选地被布置为在太赫兹(THz)频带中工作。替换地，激光器可以被布置为在另一个频带(诸如红外频带)中工作。

检测信号的步骤优选地涉及测量激光器的端子两端的电信号。

改变第一激光辐射射束的参数的步骤优选地包括对电流施加调制以驱动激光器。

调制优选地包括激光射束频率的连续波频率调制。例如，在本发明优选实施例中，调制包括将调制锯齿形电流信号叠加到半导体激光器的dc电流供应上。

在本发明优选实施例中，处理信号的步骤包括检测与由第一射束与目标的相互作用赋予的相移相关联的信号波形的第一类型变化。例如，波形的第一类型变化可以包括波形的相移。

处理信号的步骤还优选地包括检测与由第一射束与目标的相互作用赋予的衰减相关联的信号波形的第二类型变化。例如，第二类型变化可以包括波形波峰的变窄或者加宽或者波形幅度的变化。

在本发明的替换实施例中，改变参数的步骤可以包括相对于第一激光辐射射束的源纵向地移动目标。

方法可以包括处理信号以由此确定与目标的材料性质相关联的相位和幅度变化以得到目标的折射率(n)和消光系数(k)。

在方法包括处理信号以确定目标的折射率(n)和消光系数(k)的情况下，方法还将优选地涉及使得第一激光辐射射束与目标的具有已知性质的一部分相互作用。

方法优选地包括使激光器自混合的数学模型与目标的多个位置中的每一个的数据拟合以获得针对位置中的每一个的一组参数值。

方法可以包括应用来自目标所述部分的两个材料的n和k的已知值以由此得到目标的第三材料的n和k，第三材料是测试中的材料。

方法可以包括通过相对于激光器移动目标机械地扫描目标以由此根据目标位置感测目标性质的变化。

方法可以包括处理所感测的目标性质的变化以产生目标的图像。

在本发明优选实施例中，方法包括在机械扫描期间测量多个位置中的每一个处的信号中的变化。

方法优选地包括从所述测量中的每一个消除激光器的功率调制的影响。例如，消除功率调制的影响的步骤可以包括从位置中的每一个处进行的测量减去基准斜坡。

在本发明优选实施例中，可以进行测量以避免激光器的调制周期的边沿处的瞬态影响。

例如，方法可以包括仅处理每个扫描位置处的信号的每个周期的中央部分。

在本发明优选实施例中，方法包括确定每个位置处的目标的反射系数。

确定反射系数的步骤可以基于信号的绝对值随时间的积分。

方法可以包括通过使信号的时域轨迹与激光器反馈自混合的数学模型拟合产生来自目标的图像以由此计算模型的反馈参数中的变化，其中通过绘制多个所述位置中的每一个的反馈参数生成图像。

根据本发明另外的实施例，提供了一种用于研究目标的系统，该系统包括：

激光器；

目标组件，其被布置为使来自激光器的射束在与所述组件的目标相互作用之后返回至激光器；

数据获取组件，其响应于激光器的电气端子；以及

计算设备，其响应于数据获取组件，其中计算设备被编程为确定与目标相关联并且通过与目标的相互作用赋予到射束上的相位和幅度变化。

优选地激光器在计算设备的控制下，该计算设备用于操作激光器和改变激光器工作参数。

系统还优选地包括平移组件，其被布置为赋予激光器与目标之间的相对运动。

在本发明优选实施例中，平移组件包括在计算设备的控制下的一个或者多个致动器，其中计算设备被编程为操作平移组件以用于在目标的多个位置中的每一个处获取数据。

根据本发明另外的方面，提供了包括介质(例如光学、磁性或者固态数据存储设备)的计算机软件产品，该介质承载有形机器可读指令用于电子处理器以：

操作激光器以向目标组件引导激光射束；

获取作为激光射束与其从目标组件的反射的自混合的函数的电气数据；以及

基于所获取的电气数据确定目标组件的目标部分的相位和幅度变化性质。

附图说明

可以从下列详细说明领悟出本发明的优选特征、实施例和变型，下列详细说明为本领域技术人员提供充分信息以执行本发明。详细说明将不被看作以任何方式对前述发明内容范围进行限制。详细说明将参考如下多个附图：

图1A是示出根据本发明优选实施例的强度和频率调制的自混合激光干涉仪的示意图。

图1B是通过作为时间函数的激光器端子电压的变化观察的自混合信号的图示，其中虚线表示基准斜坡并且实线表示由于自混合的典型电压信号。

图1C是示出目标的渐增折射率n的影响的自混合信号的单个周期T的图示。波形随着n的渐增而变窄，并且波峰移至稍后时间。

图1D是示出主要将波形平移至稍后时间的目标的渐增消光系数k的影响的自混合信号的单个周期T的图示。

图2A是施加至图2C的QCL的电流激励信号的图示。电流范围被选择为使激光器频率扫过激光对光学反馈最敏感的区域中的三个外部空腔谐振。

图2B是与图2A的图示相对应的图示，不过是在激光器端子两端测量的电压信号的图示。为了例示性目的，已经将自混合信号的幅度增大了十倍。

图2C描绘了根据本发明优选实施例用于对反射目标成像的系统，其中QCL由锯齿形电流信号驱动并且使用基于PC的数据获取卡(ADC)获取QCL端子电压变化。一对抛物面镜将射束聚焦到包括远程目标的远程目标组件上，该远程目标包含测试中的材料，该远程目标组件安装在计算机控制的平移平台上。

图2D描绘了适合于分析光透射样品的图2C的系统的版本。在图2D中，使用平面镜42b代替图2C中的抛物面反射器42。

图3A是在解释系统的使用期间讨论的图2C的目标的前表面的照片。三个圆形区域是嵌入铝保持器中的测试中的材料，即PA6PVC和POM。

图3B是沿着图3A中的表示线70获取的时域自混合信号的二维表示，各自示出了三个条纹。垂直轴表示信号的时间演进，而水平轴示出了它们的空间依赖性。

图3C示出了类幅度图像，其中伪彩色绘图表示时域轨迹相对于基准斜坡之间的有效集合差。

图3D示出了类相位图像，其中伪彩色绘图基于自混合信号的代表波峰相对于调制波形的边沿的时间位置。

图3E描绘了每个材料的目标上的一个空间像素的代表性时域波形(实线)与相应的模型拟合(虚线)。已经删除了共同基准斜坡。

具体实施例方式

本发明的优选实施例包括用于以反射模式使用THzQCL反馈干涉仪2进行相干成像和材料分析的方法。该方案的核心是以下实现：从外部目标10返回的发射的THz辐射的部分14在重新注入激光器空腔5中时产生关于远程目标的幅度和相位变化性质两者的信息，这些信息可以通过激光器工作参数的变化辨别。使用该方案，发明人利用最小信号处理同时获得二维类幅度图像和类相位图像，二维类幅度图像和类相位图像分别地指示吸收中的折射率分布和变化。发明人证明该相干检测方法使得能提取测试中的材料的折射率和吸收系数。本发明优选实施例的关键是实现允许对由QCL源发射的THz场进行相敏检测的THz扫频延迟自零差(“自混合”)方案。与相位稳定性一样，使用QCL作为THz源提供了高输出功率光谱密度的好处、优于TDS几个数量级的光谱分辨率以及高速测量的可能性。

在图1a中示出了根据本发明的优选实施例的自混合干涉仪的基本结构和工作原理。重新注入的光14与空腔内电场相干涉(“自混合”)，引起基本激光器参数(包括阈值增益、发射功率、激光光谱和激光器端子电压)中的小变化。

干涉仪包括激光器3，该激光器3可以例如是并且不限于量子级联激光器(QCL)、带间级联激光器(ICL)、氦氖激光器、二氧化碳激光器或者光泵光纤激光器。如将从本发明的优选实施例的随后讨论理解的，还可以使用其它类型的激光器(只要它们具有足够低的相位噪声)。

无论使用哪种特定类型的激光器，激光器都包括增益介质，该增益介质夹在两个镜4、6之间并且具有位于距目标10外部距离L_ext13的出射面8。在使用中，激光器发射第一激光射束12，该第一激光射束12以第二返回射束14的形式从目标10返回至激光器。由于射束与目标10(或者此处有时称之为“样品”)相互作用，所以目标赋予由于其材料性质而导致的相位和幅度变化。因此，第二返回射束14具有与发射射束12不同的相位和幅度。返回射束14与发射射束12在激光器3的增益介质中相互作用，从而引起“自混合”，这引起激光器工作参数中的可测量变化。

上面的解释着重于发射激光射束与目标相互作用的射线模型，并且图1A示出了彼此位移距离d的发射射束12和返回射束14。本领域技术人员将意识到这是出于解释性目的的约定，而发射射束和返回射束实际上并没有位移，而是共线并且它们在目标与激光器之间产生驻波。

虽然光学反馈影响几乎所有的激光器参数，但是最方便监测的两个参数是发射的光学功率和激光器端子两端的电压。在这些中，优选地监测激光器端子电压，因为这消除了对外部太赫兹检测器的需要。小电压变化(称为“自混合信号”)取决于反射激光射束的电场的幅度和相位两者。因此，该配置创建可以探测关于外部目标的复反射率或者复折射率的信息的紧凑的相干传感器。

自混合方案的零差(相干)本性固有地提供在量子噪声极限处可能的非常高灵敏度的检测，并且因此可以在自混合信号中预期高信噪比。此外，对光学反馈的最大响应速度由激光器本身中的弛豫振荡的频率确定。在THzQCL的情况下，激光跃迁的高能态寿命由弹性和非弹性散射机制限制到几皮秒，使得响应频率能够处于几十GHz的数量级。

发明人使用三镜模型描述处于反馈下的激光器系统，该激光器系统相当于由Lang和kobayashi提出的模型的稳态解。在该模型中，仅考虑外部空腔中的一个往返行程。外部空腔中的相移由因光学路径长度引起的透射相移以及来自目标的反射的相位变化构成。目标的反射率连同反射的相位变化一起形成相当于目标的复折射率的复数对。

当外部目标纵向地位移时，激光器系统扫过一组复合空腔谐振。可以通过改变激光器频率获得相同效果，这在本发明的优选实施例中通过对激光器驱动电流施加线性调制来完成。该电流扫描的主要作用是对发射的激光功率和激光器端子两端产生的电压两者进行调制。在此具有最重要性的次要作用是激光频率随着电流的线性变化(频率啁啾)。该方式本质上构成连续波(cw)频率调制系统以用于相干地探测远程目标。在频率扫描期间，自混合信号被观察为嵌入在调制电压信号22中的一组周期扰动(参见图1b)。自混合信号波形24的波峰之间的时间间隔以及其形状和相位取决于外部空腔的长度和目标的复反射率。这在图1c和1d中进行了图示，其考虑去掉线性斜坡26的自混合波形的一个周期27(在图1B中标识出)。图1c示出了渐增的复折射率的实部n的影响，主要导致波形由于更强反馈而变窄28。另一方面，如图1d所示，复折射率的虚部(消光系数)k的增大主要产生波形的相移30，同时使得波形的形状不变。该影响主要归因于k与反射的相移之间的强烈联系。

因此，通过分析自混合波形的形状和相位，可以推导出目标的复反射率。通过Lang和kobayashi模型公知的稳态解适当地描述关于n和k的信息影响自混合信号的方式。具体地，关于目标的复折射率的信息通过反馈参数C、有效外部空腔长度L_ext和反射的相位变化R输入Lang和kobayashi模型。

本发明的实施例同样可适用于提取测试中的材料的n和k的值，以及跨越目标的这些量的空间变化的高对比度成像。

将参考定制设计的复合目标对本发明的优选实施例的示例进行描述，该复合目标由直径1英寸的铝圆柱体构成，该圆柱体具有包括不同塑料的三个圆柱孔，即聚甲醛(POM，也称为乙缩醛)、聚氯乙烯(PVC)和尼龙6(PA6，也称为聚己内酰胺)。还表征了包括塑料聚碳酸酯(PC)的另外的目标以及高密度聚乙烯(HDPE和HDPE黑)的两个样品。

在图2c中示出了所使用的实验装置的示意图。THzQCL36(在2.59THz工作)由处理成尺寸为1.78mm×140μm的半绝缘表面等离子体脊形波导的11.6μm厚的GaAs/AlGaAs束缚到连续有源区域构成(参见方法)。QCL安装到连续流低温恒温器的冷指上，该连续流低温恒温器装有聚乙烯窗口38并且在15K的散热器温度以cw模式工作。使用2英寸直径、4英寸焦距的离轴抛物面反射器40使得来自QCL的辐射准直并且使用第二相同镜42将该辐射聚焦到目标上。源与对象之间穿过环境(未净化)大气的总光学路径是568.2mm。

在图2C和2D中，对信号发生器62的调制输入标记为62b。发送至计算机64的自混合信号标记为66b。发送至温度控制器58的温度设定标记为58b。承载用于计算机64以实现根据本发明的优选实施例的方法的指令的光盘、磁盘或者固态盘标记为64b。

激光器36由电流源在I_dc＝0.43A(稍微高于对光学反馈的灵敏度最大的阈值(I_th＝0.4A))以激光器驱动器60的形式被驱动。图2a中图示的具有50mA峰峰幅度的调制锯齿形电流信号32叠加在dc电流上。这引起600MHz的线性频率扫描。由于来自测试中的材料的光学反馈，包括关于目标的信息的自混合波形嵌入电压信号34(图2b中图示的)中，在激光器端子61a和61b两端测量该电压信号34并且该电压信号34由ADC66数字化以用于传送至计算机64并且用于后续处理。为了图像获取，使用双轴计算机可控制的平移平台48在两个维度上对由目标组件45支持的目标样品46进行光栅扫描(参见图3a，目标46前表面的图像)。平移平台48包括响应于线路43上来自以PC64形式的计算设备的控制信号的致动器。对准反馈信号在线路45上从平移平台48传送回PC64以帮助PC精确地定位目标。在多个位置中的每一个处(即，在叠加在具有100μm空间分辨率的目标上的181×181方形网格的每个节点处)获取时域轨迹。对于目标的每个空间像素，电压信号记录为128个时域轨迹的平均。

因此，整组实验数据包含181×181个时域波形，各自与目标上的一个空间像素相对应。

本发明的实施例包括至少两个处理程序。第一，可以通过处理自混合信号创建高对比度THz图像的范围。第二，可以提取目标上任何区域的n和k的绝对值，条件是在目标上的两个其它位置处已知n和k的精确值。

成像

为了获得高对比度THz图像，第一步为取得每个电压信号并且减去基准斜坡，从而消除激光器的功率调制的影响；反馈越强引起电压信号从基准斜坡偏离越明显。

通过使用每个自混合轨迹仅中心的80％来消除激光器调制周期的边沿周围存在的瞬变影响。图3b示出了沿着图3a中的表示水平线70获取的时域自混合信号集合74的二维表示，其中垂直轴示出了自混合信号的时间演进而水平轴示出了其空间依赖性。暗影量化了自混合信号的瞬时幅度(基准斜坡已经消除)。应当记住，由于检测方案的相干本性，特定时间点处的信号强度不可能仅仅与目标的反射系数相关；相反地，它是信号的绝对值随时间的积分，该积分与目标的反射率成比例。此外，该量指示自混合信号的强度，反馈越强产生的值越大。在图3c中，该较强反馈通过具有伪彩色范围的铜色端部72的目标的结果图像73a在空间上呈现给观察者，该较强反馈与目标的铝部分相对应。与铝目标中塑料嵌入物68相对应的较弱反馈区域可见为黑色圆。由于来自铝的强反射以及三个塑料在2.59THz的类似反射率，在图3c中视觉上不可辨别三个塑料嵌入物之间的对比度。然而，如可以从图3e中绘制的与三个塑料区域中的每一个相对应的示例时域轨迹76看到的，其完美地保留在时域信号中。

自混合信号的类幅度编码(图3c)仅利用嵌入其中的信息的一部分。另一个可能表示涉及自混合信号的波峰相对于调制锯齿形信号的边沿的相位或者等效地时间位置。不同材料根据它们的复折射率(由其虚部支配)对入射THz波施加不同相移。在图3d中呈现的目标的图像73b中示出了目标对自混合信号的影响的该类相位表示。虽然视觉上这并没有示出类幅度表示的明显对比，但是令人感兴趣地注意到这两段信息可以分别地比作复反射率的幅度和相位的变化。自混合信号中包括的信息的这两个减少绝不是唯一可能的减少。例如，通过使这些时域轨迹与Lang和kobayashi模型的稳态解拟合，人们通过绘制反馈参数C的空间变化获得图像。

材料分析：尽管用于创建图3(c、d)中的图像的信号处理相当直接，但是用于提取测试中材料的光学常量的程序需要包括拟合的多个步骤。如早先讨论的，用于该研究的目标包含嵌入铝保持器72中的三个塑料材料68(图3a)。对于该程序，为了确定第三材料，假定已知这些材料中的两个的复折射率。为了确立方案的自洽性，依次对三个材料中的每一个采用该方式。为了排除材料与铝保持器之间的边界的影响，使用来自叠加在图3a中的照片上的圆内部的测量以确定测试中的每个材料的复折射率。参照图1a，外部空腔13中的总相位延迟可以分解成由通过空腔的往返行程15引起的透射相位延迟和来自目标的反射的相位变化，这是材料依赖的。线性电流扫描的二阶效应是激光频率(600MHz)的线性啁啾，导致透射相位随时间的线性依赖性。因此，作为时间函数的一个频率调制周期T内的外部相位延迟(干涉测量的相位)具有下列形式：

其中是频率扫描开始时外部空腔中的往返行程透射相位延迟，Φ_Δ是由电流(频率)扫描引起的干涉测量相位偏差，以及θ_R是从测试中材料反射的相位变化。清楚地，是瞬时激光频率的函数，其取决于激光器系统中的反馈水平。

根据在稳态的光学反馈下的半导体激光器的Lang和kobayashi模型，激光频率满足相位条件(有时称为超相位方程式)

其中表示在扰动激光器频率的总外部往返行程相位，表示在孤立激光器频率的总外部往返行程相位，C是取决于反射回激光器空腔中的光量的反馈参数，以及α是线宽增强因子。方程式(2)的解不可能为封闭形式并且因此需要数值解。如在目前描述的本发明的优选实施例中使用的，通过发射光功率的变化或者等同地通过激光器端子两端的电压变化直接可观察干涉测量的相位变化。嵌入调制电压信号中的自混合信号通过下列方程式与相位变化相关

其中V是去除共同斜坡之后获得的电压波形，V₀是该信号的dc分量(与偏离基准斜坡的材料依赖电压相对应)，以及β是调制指数。注意，对于此处使用的调制方案，通过其对干涉测量相位的依赖性，V是时间的函数。

因此直接基于Lang和kobayashi模型的稳态解获得参数模型，该参数模型很好地描述了在实验上获取的时域轨迹的集合。方程式(1)-(3)形成具有六个关键参数的模型，即C，α，θ_R，Φ_Δ，V₀和β。主要地以C、α和θ_R对关于要提取的复折射率的信息进行编码。为了提取这些参数，对于目标的每个空间像素，在最小二乘意义上使模型与数据拟合。这为图3a中彩色圆内部的每个像素提供了一组参数值。

如果已知材料中的两个的n和k，则可以利用它们与参数模型的关系并且从而得到第三材料(测试中的材料-参见方法)的n和k。将从两个不同目标获得的测试中的六个材料的结果制成表格1并且与来自文献的参考值进行比较。

表格1：从两个不同目标获得的测试中的六个材料的结果与来自文献的参考值进行比较。

总之，本发明的优选实施例提供了反馈干涉测量方式以在THz频率对材料进行光学分析。使用该简单、鲁棒的方式，同时获取材料的类强度和类相位图像两者。该技术使用户能够询问目标区域并且在这些限定区内提取折射率和吸收系数的精确值。在THz频率对物质的光学性质的这种表征提高了材料科学中的识别和辨别。

方法

激光器制造和操作：THzQCL异质结构基于在2.59THz工作的GaAs/AlGaAs束缚到连续有源区域设计。通过分子束外延在半绝缘GaAs衬底上生长晶片，其中有源区域厚度为11.6μm，由增益介质的90个重复构成。有源区域堆叠夹在掺杂的上80nm厚(n＝5x10¹⁸cm^-3)与下700nm厚(n＝2x10¹⁸cm^-3)GaAs接触层之间。使用光刻技术和湿法化学蚀刻将晶片处理成表面等离子体脊形波导，其中波导模式的限制由下掺杂层保证。光刻技术用于限定欧姆接触，Au/Ge/Ni底部和顶部接触的厚度分别为200nm和100nm。Ti/Au覆盖层的厚度是20nm/200nm以及衬底被减薄到200μm的厚度。使用140μm的脊宽度并且保持劈开的设备切面不被涂敷。

使用铟箔将设备安装在铜棒上以提供热接触，并且随后对设备进行导线接合。在所有实验中，在I_dc＝0.43A使用恒定电流源操作激光器。将调制锯齿形电流信号(50mA峰峰幅度)叠加在dc电流上，引起600MHz的激光频率的线性扫描。

系统和测量校准：目标的折射率n和消光系数k通过反射的相移θ_R直接地影响我们的模型中的自混合电压。另外，目标R的反射系数通过文献中已知的反馈参数C的定义与模型参数C和α直接关联为：

$\sqrt{R}\∝\frac{c}{\sqrt{1+{\mathrm{\α}}^2}}---\left(4\right)$

为了将除来自目标以外的外部反射(包括来自低温恒温器屏蔽和窗口的反射)考虑在内，写为：

$\sqrt{R^M}=a_R+b_R\sqrt{R^A}---\left(5\right)$

其中是测试中材料的实际反射系数，a_R和b_R是要确定的未知参数，以及表示材料测量但未校准的反射系数。

沿着类似思路，为了将系统性相位变化考虑在内，θ_R表示为

${\mathrm{\θ}}_R^M=a_{\mathrm{\θ}}+b_{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\θ}}_R^A---\left(6\right)$

其中是反射的实际相移，a_θ和b_θ是要确定的未知参数，以及表示未校准的反射的相移。

方程式(5)和(6)包括可以从对材料的两个测量与已知 值确定的四个未知参数a_R、b_R、a_θ和b_θ，这可以看作具有四个未知数的一组四个线性方程组。将两个标准的测量的和实际的反射系数和相移的校准对分别地指示为和我们的线性方程组的集合是

$\sqrt{R_1^M}=a_R+b_R\sqrt{R_1^A}---\left(7a\right)$

$\sqrt{R_2^M}{a}_R+b_R\sqrt{R_2^A}---\left(7b\right)$

${\mathrm{\θ}}_{R,1}^M=a_{\mathrm{\θ}}+b_{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\θ}}_{R,1}^A---\left(7c\right)$

${\mathrm{\θ}}_{R,2}^M=a_{\mathrm{\θ}}+b_{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\θ}}_{R,2}^A---\left(7d\right)$

该方程组的解是直接的并且提供a_R、b_R、a_θ和b_θ的值。一旦已经使用(5)和(6)获得了这些值，则可以容易地计算测试中材料的和R^A的实际值。通过关系对给出(R、θ_R)和(n、k)之间的关系

$n=\frac{1-R}{1+R-2\sqrt{R}\cos \left({\mathrm{\θ}}_R\right)}---\left(8a\right)$

$n=\frac{2\sqrt{R}\sin \left({\mathrm{\θ}}_R\right)}{1+R-2\sqrt{R}\cos \left({\mathrm{\θ}}_R\right)}---\left(8b\right)$

该程序适用于嵌入目标中的三个材料(参见图3a)。使用材料中的两个的光学常量的来自文献的值，将它们看作该程序中的标准以获得未知数a_R、b_R、a_θ和b_θ的值。

本发明的使用

现在将参考图2C提供使用本发明优选实施例的示例。应当意识到，下面概述的步骤也可以以完全类似方式应用至图2D的透射样品设置。

1.设置样品

a.将要成像/分析的制备好的样品46(即，目标)放在3轴机动的平台48上的样品保持器中。

b.使用CCD摄像机50调节位置(倾角和XYZ)以使样品表面与THz射束52的焦面对准。

2.为操作准备THzQCL

a.将真空泵连接至低温恒温器54。

b.(使用真空泵)将低温恒温器的真空室抽真空。

c.断开真空泵。

d.将致冷剂传输线插入杜瓦瓶56和低温恒温器中，允许致冷剂流入低温恒温器中并且开始冷却激光器。

e.打开温度控制器58并且将设定点调节到15K(用于该特定THzQCL的最优工作温度)。

f.一直等到低温恒温器在15K稳定。

g.在DC电流偏置(典型地0.43A(再次用于该特定THzQCL))打开激光器驱动器60。

h.设置信号发生器62以生成调制锯齿波(在1KHz典型为1V)并且馈送到激光器驱动器中(1V调制输入＝对激光器的50mA输出。(因此激光器驱动电流是斜坡中的0.43至0.48A))

i.实现信号发生器的输出。

j.等待激光器温度稳定。

k.现在THzQCL准备好并且发射测量射束

3.测量目标

a.设置目标区的XY光栅扫描(通过计算机64控制的X-Y平移(典型地，18mmx18mm)、步长大小(典型地，100μm)以扫描通过多个位置。初始位置是扫描的中心点。

b.开始扫描

i.机动平台移动至像素位置

ii.(通过ADC66)取得THzQCL的端子电压的多个测量值(按照1M个样品/s，样品中的1K的典型的128个平均值)。

iii.将平均样品保存到工作站。

iv.将样品平移到下一个成像像素并且重复(i-iii)。

c.当扫描完成时返回到开始位置(扫描区的中心)。

4.停止测量

a.关闭激光器驱动器和信号发生器。

b.切断致冷剂流并且从低温恒温器移除致冷剂传输线。

c.关闭温度控制器。

5.处理数据

a.使用工作站处理波形。

b.准备用于拟合的波形

i.去除功率斜坡(信号的平均斜坡)

ii.修整端部(～100数据点)以避免边缘瞬态。

iii.可选地对样品表面的已知倾角进行调节。

c.对于每个空间像素，使超相SM模型与数据拟合(典型地在最小二乘意义上)并且提取(幅度反射率代表)和(相位代表)作为拟合的SM模型参数的函数。

d.随后可以产生示出(例如)跨越目标表面的反射率代表、相位代表或者SM模型参数中的相对变化的图像。

e.对于绝对参数提取

i.除未知样品以外已经(同时)扫描了至少两个已知材料。

ii.所有材料样品位于相同的已知表面(典型地平面)上。

iii.基于测量对和已知对对系统误差系数进行校准。

iv.随后可以使用测量的值和已知系统误差系数估算未知样品的材料参数。

本发明的潜在应用

检测体内皮肤恶性肿瘤

利用对皮肤组织样品进行基于时域光谱的成像的操作已经显示出从周围健康组织辨别基底细胞癌(BCC)的能力。在一系列15个切除情况中，THz对比度一直超过做出常规成像诊断的可见对比度。清楚地，癌组织的分子组成将不同，在THz范围内引起不同的振动模式，并且从而引起复介电常数中的对比。在肿瘤组织中微结构的取向(即，纤维取向、细胞排列)也在扰动，这可以通过测量THz照射的相互作用来检测。各种癌症类型对THz询问的这些响应的确切本性具有作为用于对人类皮肤进行非侵入性体内THz成像的辨别工具的基础的价值。

使用基于THz的图像对比度和光谱数据辨别生物标本和组织活检样品中的疾病状态还可以使用此处描述的技术。基于获得的复介电常数信息可以对制备好的流体或者固体组织的标本询问THz特性中的差异。与后天疾病相关联的化学构成的变化和结构变化将是在正常样本与病态样本之间进行辨别的主要来源。当以THz频带外部的频率检查时，所观察的差异可能并不一定存在。然而，该应用将需要体外样本与上面针对体内诊断的应用形成对比。

制药

可以使用此处描述的技术在生产过程中分析和监测制药材料。制药成分(例如在片剂制剂中)的所有可能的多形形式的特性和控制是制药行业中的关键因素。实验证明THz光谱技术可以借助于这些多形体中的结构差异(并且由此分子间振动中的差异)区分制药固体的不同多形形式(例如卡马西平、马来酸依那普利、磺胺噻唑等等)。因此，基于获得的复介电常数信息可以对制备好的制药样品询问THz特性中的差异。该应用具有用于生产线监测的潜能，包括通过胶囊的监测。用于监测这种结构差异的替换技术(诸如X射线粉末衍射)显著地较慢。此外，近红外和中红外光谱通常对多形变化不太敏感。

安全性

本发明的实施例可以用于检测爆炸物(例如RDX、PETN、TNT、HMX)、武器等等以及因此可以帮助邮件和包装检查。

可以使用此处描述的技术检测/感测晶体爆炸物(例如RDX、PETN、TNT、HMX)和非法药物(例如可卡因、脱氧麻黄碱、海洛因)。实验已经证明使用THz光谱技术可以容易地识别这种材料。因此，基于获得的复介电常数信息可以对制备好的爆炸物/药物样品询问THz特性中的差异。THz辐射还穿透许多包装材料，实现对隐藏非法化合物的识别(例如在邮件检查中)。

遵照规定，已经以或多或少特定于结构特征或者方法特征的语言对本发明进行了描述。术语“包括”和其变型(诸如“包括”和“由...组成”)在全文中用于包含性意义并且不用于排除任何另外的特征。由于此处描述的方式包括将本发明付诸实施的优选形式，因此应当理解本发明不限于所示或者所描述的具体特征。因此，以在由本领域技术人员适当解释的所附权利要求的适当范围内的本发明的形式或者修改中的任何一个要求保护本发明。

在整个说明书和权利要求书(如果存在)中，除非上下文另有要求，否则术语“基本上”或者“大约”应当理解为不限于由术语限定的范围的值。

本发明的任何实施例仅旨在例示性的并且并不旨在对本发明进行限制。因此，应当意识到，可以在不背离本发明精神和范围的情况下对所描述的任何实施例做出各种其它改变和修改。

结合本发明特定方面、实施例或者示例描述的特征、整体、特性、化合物、化学部分或者基团将理解为可适用于此处描述的任何其它方面、实施例或者示例，除非与其矛盾。

Claims (26)

1.一种用于研究目标的方法，包括下列步骤：

向所述目标引导来自激光器的第一辐射射束以由此通过第一射束与所述目标的相互作用产生第二激光辐射射束，其中所述第一射束和第二射束的自混合在所述激光器内发生；

改变影响所述第一射束与所述目标的所述相互作用的参数；

检测由所述自混合产生的信号；以及

处理所述信号以由此确定与所述目标的材料性质相关联的相位和幅度变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光器被布置为在太赫兹THz频带中工作。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的方法，其中所述激光器包括量子级联激光器QCL。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中检测所述信号的步骤涉及监测所述激光器的端子两端的电信号。

5.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，其中改变参数的步骤包括对电流施加调制以用于驱动所述激光器。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述调制包括所述激光射束频率的连续波频率调制。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中处理所述信号的步骤包括检测与由所述第一射束与所述目标的所述相互作用赋予的相移相关联的所述信号的波形的相移。

8.根据权利要求7所述的方法，其中处理所述信号的步骤还包括检测与由所述第一射束与所述目标的所述相互作用赋予的衰减相关联的所述信号的所述波形的变化。

9.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中改变所述参数的步骤可以包括朝向或者远离第一激光辐射射束的源移动所述目标。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，包括处理所述信号以由此确定与所述目标的材料性质相关联的相位和幅度变化，以得到所述目标的折射率n和消光系数k。

11.根据权利要求10所述的方法，包括使得所述第一激光辐射射束与所述目标的具有已知性质的一部分相互作用。

12.根据权利要求11所述的方法，包括应用来自具有已知值的所述目标的所述部分的两个材料的n和k的已知值，以由此得到所述目标的第三材料的n和k，所述第三材料是测试中的材料。

13.根据权利要求12所述的方法，包括使所述激光器自混合的数学模型与所述目标的多个位置中的每一个的数据拟合，以获得针对所述位置中的每一个的一组参数值。

14.根据权利要求1至13中的任一项所述的方法，包括通过相对于所述激光器将所述目标移动通过多个位置来机械地扫描所述目标，以由此根据所述目标的位置感测所述目标的所述性质的变化。

15.根据权利要求14所述的方法，包括处理所感测的所述目标的所述性质的变化以产生所述目标的图像。

16.根据权利要求15所述的方法，包括在所述机械扫描期间测量多个位置中的每一个处的所述信号的变化。

17.根据权利要求16所述的方法，包括从所述测量中的每一个消除由于所述激光器的功率调制的影响。

18.根据权利要求16或者权利要求17所述的方法，包括仅处理每个扫描位置处的所述信号的每个周期的中央部分，以避免所述激光器的调制周期的所述边沿处的瞬态影响。

19.根据权利要求16至18中的任一项所述的方法，包括确定每个位置处所述目标的反射系数。

20.根据权利要求19所述的方法，其中确定所述反射系数的步骤基于所述信号的绝对值随时间的积分。

21.根据权利要求20所述的方法，包括通过使所述信号的时域轨迹与所述激光器自混合的数学模型拟合产生来自所述目标的图像，以由此计算所述模型的反馈参数的变化，其中通过绘制多个所述位置中的每一个的所述反馈参数生成所述图像。

22.根据本发明另外的实施例，提供了一种用于研究目标的系统，所述系统包括：

激光器；

目标组件，所述目标组件被布置为使来自所述激光器的射束在与所述组件的目标相互作用之后返回至所述激光器；

数据获取组件，所述数据获取组件响应于所述激光器的电气端子；以及

计算设备，所述计算设备响应于所述数据获取组件，其中所述计算设备被编程为确定与所述目标相关联并且通过与所述目标的相互作用赋予到所述射束上的相位和幅度变化。

23.根据权利要求22所述的系统，其中所述激光器在所述计算设备的控制下，所述计算机设备用于操作所述激光器和改变所述激光器的工作参数。

24.根据权利要求22或者权利要求23所述的系统，所述系统包括平移组件，所述平移组件被布置为赋予所述激光器与所述目标之间的相对运动。

25.根据权利要求24所述的系统，其中所述平移组件包括在所述计算设备的控制下的一个或者多个致动器，其中所述计算设备被编程为操作所述平移组件以用于在所述目标的多个位置中的每一个处获取数据。

26.一种计算机软件产品，所述计算机软件产品包括机器可读介质，所述机器可读介质承载有形机器可读指令用于电子处理器以：

操作激光器以向目标组件引导激光射束；

获取作为所述激光射束与所述激光射束和所述目标组件相互作用之后的反射的自混合的函数的电气数据；以及

基于所获取的电气数据确定所述目标组件的目标部分的相位和幅度变化性质。